近日，中國科學院化學研究所研究員鄭健團隊在常壓下通過簡單的反應條件，創制了一種新型碳同素異形體單晶——單層聚合碳60，未來有望應用于半導體、量子計算、化學催化等領域。相關成果6月16日刊發在《自然》(Nature)雜志。

圖片來自《自然》(Nature)

碳是地球上最重要的元素之一，碳原子具有極輕的原子質量和極強的共價鍵。作為元素周期表中最多樣化的元素之一，碳可以與自身或者幾乎所有元素以多種雜化方式成鍵，獲得結構豐富的碳網絡。很多碳分子具有獨特的π電子共軛體系（即分子中雙鍵或叁鍵與單鍵相互交替排列的體系），并展現出優異的力、熱、光、電等屬性。

碳材料一直被視作一種未來材料，甚至有材料學家認為人類社會將由現今“硅基電子時代”邁入到未來“碳基電子時代”。通過調節碳材料的帶隙，可以使其表現出迥異的電學性質（如金屬、半導體和絕緣體），從而在晶體管、能源存儲器件、超導等領域具有廣泛應用。

同一種元素構成的物質，由于原子排列不同，展現出不同的物理化學性質，稱為同素異形體。碳的多種同素異形體包括：金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔。碳材料的性能與其拓撲結構密切相關，因此研究新的二維碳同素異形體，特別是具有帶隙的新型結構，建立結構與物性之間的關聯，具有重要意義。制備新型碳材料一直是材料領域的前沿科學問題，以富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨炔為代表的新型碳材料，其每一次發現都引發了材料學研究熱潮。

此次，中國科學院化學研究所研究員鄭健團隊通過常壓下簡單的反應條件，創制了一種新型碳同素異形體單晶——單層聚合碳60(C60)。這是一種全新的簇聚二維超結構，由碳60簇籠在平面上通過碳-碳鍵相互共價鍵合形成規則的拓撲結構。

前述新型碳材料具有較高的結晶度和良好的熱力學穩定性，并具有適度的禁帶寬度，為碳材料的研究提供了全新思路。禁帶寬度是半導體的一個重要特征參量，其大小主要取決于半導體的能帶結構，即與晶體結構和原子的結合性質等有關。

迄今為止構筑二維材料的最小單元是單個原子，被稱為人造原子的納米團簇作為基本單元構筑更高級的二維拓撲結構一直未能實現。由于碳碳成鍵的反應收率不是100%且反應不可逆，因此使用傳統化學反應，自下而上通過分子“壘磚頭”的方法，制備二維團簇碳材料單晶幾乎無法完成。因此，鄭健課題組歷時5年，利用摻雜聚合-剝離兩步法，即先在晶體制備過程中摻入離子，聚合后再去掉離子，最終從準六方相結構中剝離得到單層C60聚合物。團隊以此成功制備單層二維聚合C60單晶，并獲得了確鑿的價鍵結構。

圖a：準六方聚合C60的單晶結構示意圖，圖b：單層聚合C60的STEM圖片，圖片來自中科院化學研究所

研究人員利用單晶X射線衍射(XRD)和掃描透射電子顯微鏡(STEM)對前述單層C60聚合物進行結構表征，結果顯示其形成了一種全新的二維拓撲超結構。單層聚合C60的帶隙約為1.6電子伏特(eV)，是典型的半導體，預示其在光或電半導體器件中具有潛在應用。此外，該結構具有良好的熱力學穩定性，在約600開爾文（326.85攝氏度）下仍舊穩定存在。

在單層聚合C60中，由于不對稱成鍵結構，每個C60單元被拉伸成方向一致的橢球形，從而使得這種新型碳材料具有顯著的平面各向異性，如各向異性聲子模式和電導率。這意味著該材料在非線性光學和功能化電子器件方面，也可能具有應用前景。

此外，由于單層聚合C60獨特的共軛碳結構、巨大的超晶格和多孔骨架結構，該二維簇聚碳材料或在超導、量子計算、自旋輸運、信息及能量存儲、催化等領域具有潛在應用價值。